基于智能芯片的发动机电子油门技术设计分析

朱双华

（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲，412001）

0 概述

摩托罗拉集成电路产品性能强劲，提供众多具有良好性能的电源、控制和通信功能。专用SMARTMOS混合信号工艺具有高密度逻辑，可以同时实现模拟和驱动功能，其易用性、良好的IC设计和负载保护功能、更少的器件数量和高可靠性满足了设计人员的要求。摩托罗拉标准产品包括功率开关集成电路、电源管理集成电路、网络收发器、汽车安全产品以及特殊功能器件，可提供单芯片和集成封装在一起的芯片。其中很多器件的设计可以与摩托罗拉的微处理器、单片机和DSP（数字信号处理）结合使用。

1 发动机电子油门技术设计原理

通常传统的油门通过右脚进行机械控制，并且紧急刹车也在用右脚控制，在紧急情况，刹车踏在油门的事故时有发生，且动作通过机械传导，结构较为复杂，成本较大。而采用新的设计完全避免这样的风险，使用简单方便。油门控制通过指令控制执行部分（电机）控制油门的开度，实现轿车油门开度控制的目的。与此同时，通过传感器可以从显示部分得知油门的实际开度，可以省油节油，并有利于新驾驶员驾驶，避免半途熄火的危险驾驶。

1.1 智能芯片特点与基本应用

智能芯片，是新一代功率器件，其把功率器件与检测和控制电路、传感器、故障自诊断电路及保护电路等整合为一个整体且拥有功率输出能力的创新器件。它能适应汽车上复杂的电磁兼容环境，其特别注重器件的选择和电路机理的规划设计。由于此种器件能替换人工来实现较为繁杂多目标的控制，所以其被嵌入了智慧的特征。比如，在这类器件中，常见的保护功能就有过电压、欠电压、短路、过热、过电流保护等等。另外，有部分芯片中兼具瞬态电流限制输出、电压过冲保护、最大输入功率限制与软启动等保护电路，这样就大幅度增加了芯片运行的可靠与稳定性能。目前此类芯片的重量轻、体积小、抗干扰能力与综合性能好好、使用寿命也长等诸多特点，已经普遍装载在于变频调速器、单片机测控系统，甚至家用电器和电力电子设备等行业。

在全球范围内，此类芯片的供应企业有Siemens（西门子）、Motorola（摩托罗拉）和英Infineon（飞凌）等厂商，这些产品的整体封装形式与设计侧重点虽有些不同，可其完成的逻辑与特点均大体一致。摩托罗拉为嵌入式控制系统的设计人员提供了高集成度的产品，用于电源管理、继电器代替和运动控制等应用。与仅仅完成简单功能的传统思维设计的产品供提供强有力的不一样，Motorola将许多核心功能整合规划到集成式的IC中，通过不断整合调试，系统设计已经相当精简高度集成。此类企业提供很高的成本与效益产出比，这样就显著压缩了智能芯片上市周期，使各领域获利。Motorola集中设计与组装了的混合信号模拟电路，其集成度特别高，它不仅把调节器与运算放大器整合一体，还把关键系统功能均整合成一体化的解决思路，为客户实现超出期待的产品。Motorola模拟产品广泛应用于许多领域实现诸多功能，包括汽车工业、数字、无线通讯与硬拷贝图像等。而其中的特制SMARTMOS混合信号工艺功能更加强大，其不仅拥有高密度逻辑，还能一道实现驱动与模拟任务。

1.2 应用SMARTMOS芯片的发动机电子油门系统组成

图1 发动机电子油门智能芯片系统组成图

与传统油门比较，电子油门明显的一点是用线束（导线）来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。即所谓的“导线驾驶”，用导线代替了原来的机械传动机构。如图1所示。

这仅仅是电子油门表面的东西，它的实质和作用只用连接代替方式来解析是远远不够的。首先，通过手调节位置传感器将需要的油门开度信号传递到MCU，经过得到的数据（扭矩及转速）分析，从而输出信号驱动电动机调节油气门开度。电子油门控制系统主要由油门位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。这里采用为汽车和工业控制设计的MM908E624单片机。它们都是由高性能的HC08单片机（MCU）核和SMARTMOS集成电路芯片构成，具有集成度高、价格低等特点。

采用此单片机作为控制核心主要基于以下原因：（1）不需要外置晶振减少器件和成本；（2）集成模拟器件使用方便；（3）芯片性能优异。

在实际应用中将位移传感器安装在方向盘上，可以设定油门的开度（即目标车速），同时在油门的电机上安装油门开度传感器监测油门开度的实际位置。当数据扫描到位移传感器的模拟输入与油门开度传感器的输入不同有变化时，会瞬间将此信息送往MM908E624，该芯片对信息进行分析，当位置传感器的模拟输入量大于油门开度传感器的反馈量时，驱动电机继电器，驱动节气门执行机构，油门电机正转（即进油量增加并加速），反之，输入量小于反馈量则相反。

通过以上方法实现对油门的控制，保持输出稳定和高的燃烧效率从而减少能源消耗。电子油门智能控制系统主要由超声波传感器电路、车速度传感器系统以及LIN总线加显示报警电路组成。超声波传感器电路输出电压0-5V，对应距离近0m、远5m。车速度传感器系统输出0-5V对应低速、高速。当速度传感器系统输出减去超声波传感器电路输出大于一定值时，输出报警提醒注意和迫使油门电机反转（减速）。这样就能代替人的反应，及时减速，防止碰撞。

1.3 LIN总线通讯设计

LIN总线则是负责系统（MM908E624）与其他ECU之间的通讯并显示超声波测距值和车速值。当刹车或离合器踩下时，L1闭合，油门电机反转（减速），使用十分方便。由于电子智能油门系统是通过ECU来调整气门的，因此可以设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性，其中最常见的就是ASR（牵引力控制系统）和速度控制系统（巡航控制）。当ASR系统传感到车轮的旋转速度，ECU就根据油门踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等之间的不同而求出滑动率，通过减少节气门开度来调整混合气流量，以降低发动机功率来达到控制目的。在ASR系统中，电子油门起到十分关键的作用，其涉及整个ASR系统中对车速控制、怠速控制等功能，使系统能迅速准确地执行指令。即当电子油门系统接受到ASR系统指令时，它对节气门控制指令只来自于ASR，这样就可以避免驾车者的误操作。

1.4 单片机MM908E624功用设计与分析

当驾车者使用速度控制系统时，车速传感器将车速信号输入ECU，再由ECU输出指令伺服电动机控制节气门开度。在这样的系统中，根据行驶阻力的变化由控制系统自动调节发动机节气门开度，使行驶车速保持稳定。因此电子油门系统也可以兼容巡航控制功能。利用单片机MM908E624所带的HC08单片机核，其包括16KB的片上fiash存储器，512B的RAM，两个16位2通道的定时器，增强型穿行通讯接口（ESCI），10位精度的模数转换器（ADC），串行外设接口(SPI)和16个单片机通用I/O口。其中，MM908E624内部的SmartMOS集成电路主要是由三个的高端输出口，LIN总线接口，电压调节器以及运行放大器接口和唤醒接口等构成。

MM908E624共有三个高端输出口，其中两个高端输出接口HS1和HS2，带有过流及过温保护功能，最大输出电流范围为200-500mA 可以用来驱动电机。在驱动电感性负载的情况下，这两个输出口的内部还带有钳位电路，可以限制输出的电压。对这两个输出口的控制是通过SPI接口实现的，芯片内部驱动高端输出接口的电路会把SPU寄存器的HS1 ON位(或HS2 ON位）和PWMIN输入引脚的电平进行逻辑与运算，然后根据与的结果控制高端输出口的状态。

MM908E624都带有一个LIN物理层，提供了一个LIN总线端口，该端口位单总线收发，可以与三线LIN总线兼容。MM908E624带有两个专门的唤醒输入接口L1、L2。在SLEEP或STOP模式下，如果唤醒输入接口的电平发生变化，系统就会被唤醒并进入NORMAL模式。在正常（NORMAL）模式下，通过SPI接口可以读取这两个端口的状态，因此唤醒接口也可以用来监控外接开关的状态变化，通过方向盘上触摸 RESET或刹车和离合器上安置接触开关使系统被唤醒，控制轿车的油门开度，实现缓冲和节油。

MM908E624带有一个电压调整器输出接口。在正常模式和STOP模式下，该电压调整器，可以输出一个5V电压，从而可以给单片机供电。但需要注意的是，该端口需外接一个电容来稳定电压的输出。另外，该电压调整器还具有限流功能，主要用于STOP模式下。

2 小结

通过智能电子油门的分析，可见MM908E624功能强，其上的SMARTMOS包含了功率驱动、SPI和LIN的通讯支持，并且具有唤醒功能，是一个与数字电路系统完全平等的功率很快。随着汽车电子技术的进一步发展，类似这种技术必将在汽车上被广泛的采用。